地面效应：飞机降落时的物理规律

琦君

飞机的地面效应

飞机在降落时难以着地，起飞时难以升空，常常要在跑道上“漂浮”一段时间飞机降落时很难降落，起飞时很难上升空。它经常要在跑道上“漂浮”一段时间。

大家平时坐飞机的时候，有没有注意到一个奇怪的现象，就是飞机会在跑道上“延迟”很久才降落。为什么？其实这是一个著名的物理现象，也被用来制作被称为“怪物”的军用飞机。今天，我们就来看看每个乘客都遇到过，却很少有人知道的“地面效应”。

据美国海军学院介绍，在起飞和降落时，飞机常常要在跑道上“漂浮”很长时间，这就是地面效应的作用。那么地面效应是什么原理呢？地面效应主要来自阻力的减少和升力的增加。飞机在飞行时，遇到的一大阻力来源是机翼末端的翼尖涡流。根据美国国家航空航天局介绍，当飞机贴近地面或水面的时候，翼尖涡流遭到破坏，阻力就会减少，这种由翼尖涡流破坏带来的阻力降低被称为翼展主导的地面效应。

接近地面时，翼尖涡流（图中圈圈）被破坏，因此阻力下降根据美国海军学院的说法，飞机在起飞和降落时，往往会在跑道上“漂浮”很长时间，这就是地面效应的作用。那么地面效应的原理是什么呢？地面效应主要来源于阻力的减小和升力的增加。飞机在飞行中遇到的主要阻力来源之一是机翼末端的翼尖涡流。根据NASA 空的说法，当飞机接近地面或水面时，翼尖涡被破坏，阻力会减小。这种由翼尖涡破坏引起的阻力减小被称为翼展主导的地面效应。接近地面时，翼尖涡(图中圆圈)被破坏，因此阻力减小。

另外，飞机在贴近地面飞行时会遇到气垫。这种气垫也被称为无形的“上帝之手”，为飞机提供了强大的升力。这种在接近地面时获得的空气系技能提升也叫跺脚效果。

早在20世纪20年代，飞行员们就已经通过一手的飞行经验了解地面效应了。1934年，美国国家航空咨询委员会（NACA）的一份技术报告《Technical Memorandum 771》就指出了地面效应对飞机起飞和降落的影响。

德国巨型飞艇 Dornier DO-X早在20世纪20年代，飞行员就已经通过第一手的飞行经验了解了地面效应。1934年，美国国家航空空咨询委员会(NACA)的技术报告《技术备忘录771》指出了地面效应对飞机起降的影响。德国巨型飞艇多尼尔DO-X

一些飞行员甚至故意使用地面效应战术来节省燃油和低空飞行。比如1930年，德国巨型飞艇多尼尔DO-X在飞越大西洋时就利用了地面效应。二战时，当飞机没油或发动机失灵时，一些飞行员会在海面上低飞，以借助地面效应让飞机飞得更久。

如此诱人的“加血加魔”物理法则，军方自然不愿意放过。上世纪60年代，苏联和德国都在积极研制地效飞行器——地效飞行器。1967年，当苏联研制的地效飞行器“里海怪物”的原型机出现在里海时，美国情报部门大为震惊。

当美国中央情报局（CIA）的分析师看到 Ekranoplan 的卫星照片时，搞不清楚它到底是船还是飞机，因为它的吨位和船一样大，超过当时已知的任何飞机，但机翼又很小，而且还能高速飞行（最高速度为560～740千米/小时）。因此，他们给这种“元祖”地效飞行器取了个绰号——“里海怪物”。里海怪物的优势显而易见，它可以以飞机的速度运行，载重却和轮船一样，因此“里海怪物”地效飞行器也常被称为“航空母舰的杀手锏”和“突击登陆的理想工具”。

由苏联研发制造的地效飞行器 Ekranoplan，常被称为“里海怪物”当美国中央情报局(CIA)的分析人员看到里海怪物的卫星照片时，他们搞不清楚这是一艘船还是一架飞机，因为它的吨位和船一样大，超过了当时已知的任何飞机，但它的机翼很小，可以高速飞行(最大速度为560 ~ 740公里/小时)。因此，他们给这种“元祖”假发工艺起了个绰号——“里海怪物”。里海怪物的优势显而易见。它可以以飞机的速度运行，但它的负载与船的负载相同。因此，“里海怪物”地效飞行器常被称为“母舰杀手”和“突击登陆的理想工具”。里海怪物是苏联研制的地效飞行器，常被称为“里海怪物”

那么，为什么现在看不到成熟的军用或民用地效飞行器呢？首先，地效的优势反过来也是它的劣势:地效飞行器只能在接近地面或水面的高度飞行，一般在机翼长度的15%以内。地效飞行器遇到障碍物时，无法硬抗，通常只能绕道而行，很容易因为地面或水面的异常凸起而发生灾难。

此外，早在1926年美国国家航空咨询委员会（NACA）就在第265号报告中指出，地效飞行器的另一大技术难点在于，一旦飞离地面或水面，地效飞行器很容易莫名“傲娇昂头”，也就是纵向稳定性比较差，这个问题直到现在还在困扰着研发人员。正是这两个劣势限制了地效飞行器应用的扩散，现在在民用领域只有极少数地效飞行器在市场上使用。

此外，早在1926年，美国国家航空航天局空咨询委员会(NACA)在其第265号报告中指出，地效飞行器的另一大技术难点是，一旦飞离地面或水面，地效飞行器就容易“骄傲自大”，即纵向稳定性相对较差。这个问题直到现在仍然困扰着RD人事。正是这两个缺点限制了地效飞行器应用的推广。目前，只有少数地效飞行器用于民用领域的市场。

赛车的地面效应

一些赛车底部凸起，形成了文丘里管，制造了一个低压区（红色部分）一些赛车底部凸起形成文丘里管，形成低压区(红色部分)。

然而，地面效应的一个反向“双胞胎”长期以来一直被用于竞技领域。如上所述，飞机在接近地面时会很难下降。事实上，如果改变机翼的形状，它可能会被地面吸走。当机翼下部凸起时，飞机可能会被地球“吸走”。

这是因为，此时，在凸翼和地面之间形成了文丘里管。由于伯努利定律，此时机翼下方会出现一个低压区。这种现象也恰好被称为“地面效应”，在20世纪70年代被F1赛车俱乐部发现。

我们知道，车辆转弯时应该减速，否则很容易翻车。但如果车能在地上“吸”，转弯就没必要减速。一辆能吸在地上的车，在过弯时给对手留下微弱的抓地力，就能在弯道中轻松超车。

20世纪70年代，莲花F1车队开始使用赛车底部的文丘里管开发加速“皮肤”。从图中可以看到，莲花78赛车的底部是凸起的，与地面形成文丘里，形成低压区，从而被吸在地面上。后来莲花78的改良升级版79在1978年夺冠。其他车队看到后纷纷效仿，F1赛车一时间变成了地效装备大战。

不过和飞机版的地面效应类似，赛车的地面效应也危机重重。当文丘里管的气密性被破坏，“抓地力”会突然松脱而导致车辆失控。比如在1982年的荷兰大奖赛时，著名车手瑞内·阿尔努的赛车失控摔向轮胎墙，就是车辆底部的文丘里管失效引发的。因此在1983年，F1管理机构（FISA）决定限制地面效应，规定各车队的底盘必须要平，不得再使用“氪金皮肤”来使赛车得到地面效应。

莲花79和80底部的文丘里管造型然而，类似于飞机版的地面效应，赛车的地面效应也陷入了危机。当文丘里管的气密性被破坏时，“抓手”会突然松开，导致车辆失控。比如1982年的荷兰大奖赛，著名车手勒内·阿诺的赛车失控撞向轮胎壁，原因就是车辆底部的文丘里管出现故障。因此，1983年，FISA决定限制地面效应，规定每个车队的底盘必须是平的，不得使用“氪皮”来使赛车获得地面效应。莲花79和80底部的文丘里管形状

总而言之，这两种“接地气”的地面效果虽然是高端玩家玩的，但也能杀人。

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